頻域光聲成像系統(tǒng)的探討

廣州工商學(xué)院電子信息工程系 劉偉慈 梁瑞生

頻域光聲成像系統(tǒng)的探討

廣州工商學(xué)院電子信息工程系 劉偉慈 梁瑞生

本文研究頻域光聲成像系統(tǒng)，即頻域光聲斷層成像系統(tǒng)和頻域光聲顯微系統(tǒng)，并探討了其成像模式：線性頻率調(diào)制模式、離散頻率調(diào)制模式和復(fù)合頻率調(diào)制模式。

頻域光聲斷層成像系統(tǒng)；頻域光聲顯微系統(tǒng)；頻率調(diào)制模式

1　引言

光聲成像作為一種新型無損的生物醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，具有非接觸、高對比度、高分辨率及深度探測等優(yōu)點(diǎn)，近年來在生物組織醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域廣受關(guān)注與期待，具有很大的發(fā)展與創(chuàng)新空間。光聲成像系統(tǒng)主要分為時(shí)域光聲成像系統(tǒng)和頻域光聲成像系統(tǒng)。在過去二十多年，時(shí)域光聲成像取得了極大的發(fā)展，但是價(jià)格高，不便攜，圖像重建質(zhì)量還有待提升。因此，近年來國內(nèi)外多個(gè)研究小組，如美國、加拿大、德國、瑞生等，國內(nèi)如北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、天津大學(xué)、華南師范大學(xué)、深圳先進(jìn)技術(shù)研究院等紛紛轉(zhuǎn)向研究頻率域光聲成像技術(shù)。頻域光聲成像是指使用輸出幅值受到周期性調(diào)制的連續(xù)波激光器作為光源輻射組織產(chǎn)生光聲信號的成像方式，兼具光學(xué)成像對比度大與聲學(xué)成像深度大的優(yōu)點(diǎn)，在生物組織病變診斷及材料特性分析具有重要優(yōu)勢。本文主要探討頻域光聲斷層成像系統(tǒng)和頻域光聲顯微成像系統(tǒng)，以及成像調(diào)制模式。

2　頻域光聲成像系統(tǒng)

頻域光聲成像系統(tǒng)主要有頻域斷層成像系統(tǒng)和頻域顯微成像系統(tǒng)。

2.1頻域光聲斷層成像

光聲斷層成像作為光聲成像領(lǐng)域發(fā)展較早的一項(xiàng)技術(shù)，因其成像效果上受限最少，在實(shí)際應(yīng)用中非常通用。

圖1　頻率域光聲成像系統(tǒng)框圖

圖2 頻域光聲和雙光子混合顯微系統(tǒng)圖

圖1為頻域光聲成像系統(tǒng)，其工作原理是函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制波形輸給連續(xù)波激光器，然后激光器輸出調(diào)制后的激光光束，準(zhǔn)直后照射到樣本產(chǎn)生超聲波，傳感器接收超聲波后將其轉(zhuǎn)為電信號，放大器放大該電信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡。最后利用頻域信號處理方法和圖像重建算法，即可得到樣本某一個(gè)截面的圖像信息。

2.2光聲顯微成像

光聲顯微成像利用組織光吸收特性的差異作為對比機(jī)制，又利用了聲波在組織內(nèi)穿透深度較大的特點(diǎn)，結(jié)合了光學(xué)顯微和聲學(xué)顯微各自的優(yōu)勢。而多光子顯微系統(tǒng)能揭示生物樣本的結(jié)構(gòu)和功能信息，是近年來新興的強(qiáng)有力的顯微成像模式。

在圖2中，頻域光聲和雙光子混合顯微成像系統(tǒng)中激光光束經(jīng)過衰減、準(zhǔn)直到達(dá)第一個(gè)分色鏡并耦合到多光子光路中，接著經(jīng)過透鏡組聚焦，到達(dá)掃描振鏡，隨之激光光束經(jīng)過分色鏡通過電鏡系統(tǒng)擴(kuò)束后進(jìn)入物鏡，然后光束聚焦到組織樣本產(chǎn)生超聲波并轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過放大器放大后被數(shù)據(jù)采集卡采集記錄.最后 通過調(diào)整傳感器的聚焦位置，實(shí)現(xiàn)聚焦成像或是離焦成像。

3　成像調(diào)制模式

3.1線性頻率調(diào)制模式

線性頻率調(diào)制模式是采用連續(xù)波激光光源，利用一定頻段的線性掃頻對連續(xù)波激光器的輸出光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。但這種模式實(shí)際上是一種時(shí)域和頻域混合的模式存在成像時(shí)間較長，占用內(nèi)存較多等時(shí)域光聲成像普遍存在的問題

3.2離散頻率調(diào)制模式

離散頻率調(diào)制模式是函數(shù)發(fā)生器連續(xù)產(chǎn)生若干個(gè)單一頻率的正弦波對連續(xù)波激光器輸出光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制.將離散頻率模式中的各個(gè)頻率分量作為諧波分量，加和產(chǎn)生一個(gè)復(fù)合波形，用這個(gè)包含特定諧波分量的復(fù)合波形調(diào)制激光器激發(fā)樣本，從頻域的角度講，就是同時(shí)用若干個(gè)頻率分量對樣本進(jìn)行激發(fā)，并對這若干個(gè)頻率分量對應(yīng)的超聲信號進(jìn)行同時(shí)采集，從而大幅提高成像和信號采集時(shí)間，使成像過程更加實(shí)時(shí)。

離散頻率調(diào)制模式是離散頻率分量分別對樣本進(jìn)行激發(fā)，然后利用送些特定頻率分量處的超聲信號對樣本進(jìn)行重建成像模式。因此，如果該模式選擇了合適的頻率帶寬和頻率數(shù)量，即可獲得較好質(zhì)量的重建圖像。

3.3復(fù)合頻率調(diào)制模式

復(fù)合調(diào)制模式是指將離散模式下的各個(gè)單一頻率的正弦波作為若干個(gè)諧波分量進(jìn)行加和形成時(shí)域復(fù)合波形。復(fù)合頻率調(diào)制模式能進(jìn)行有效成像，使得成像時(shí)間縮短并且提供更豐富的目標(biāo)信息，方便更全面地了解目標(biāo)特性。

4　結(jié)束

頻域光聲成像具有廣泛的應(yīng)用前景，進(jìn)一步提升基于頻率模式的頻域光聲重建算法的性能，改進(jìn)頻域光聲斷層成像系統(tǒng)和頻域光聲顯微系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，以逼近實(shí)時(shí)成像，提升圖像信噪比，爭取設(shè)計(jì)出新型的智能便攜純頻域光聲成像系統(tǒng)，并希望將該技術(shù)早日運(yùn)用到臨床實(shí)踐中，為人類疾病檢測和治療、藥物研制等提供支持和幫助，造福人類。

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項(xiàng)目：本文由廣州工商學(xué)院2016科研項(xiàng)目支持，項(xiàng)目編號：KA201625。